JP3680320B2 - 自己発熱型触媒コンバータ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車用の排気浄化装置としての触媒コンバータに係り、特に触媒作用を行なう物質の活性化を促進するために、触媒担体自体が発熱するようにした自己発熱型触媒コンバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば自動車用エンジンの排気経路内に触媒コンバータを介在させて、排気ガス中に含まれているＣＯ，ＨＣおよびＮＯｘ等の有害成分を無害な気体あるいは水に変換することが行われている。しかしながら、単に触媒コンバータのみを用いた場合、エンジンの始動初期の排ガスの温度が低い状態では、触媒物質が活性化されないために排気ガスが浄化されにくいという問題がある。
【０００３】
このため、特開平２−２２３６２２号公報に記載されたものでは、主たる触媒コンバータとは別に自己発熱型ハニカム担体を備えている触媒コンバータを配設し、この自己発熱型ハニカム担体に通電加熱して、触媒物質の活性化を図ることが提案されている。この自己発熱型ハニカム担体は、波形の凹凸が連続的に折曲形成されて帯状をなす金属製の波板と、平坦な帯状をなす金属製の平板とを交互に重ね合わせて、それらを巻回もしくは積層して形成されたものである。
【０００４】
従来の自己発熱型ハニカム担体においては、ハニカム担体の中心と外側面にそれぞれ電極を設けて、中心部から外側面に向かって電流を流すことにより金属製の担体を発熱させるという方法を取っている。古いものでは米国特許第３７７０３８９号明細書にも同様な構造を有する例が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
自己発熱型のハニカム担体に通電して発熱、昇温させるためには、波板と平板に所定の大きさの抵抗値を持たせる必要があるので、中心電極から外側面に向かって電流を流す従来の自己発熱型ハニカム担体の場合には、帯状の金属箔からなる波板と平板の長さを十分に長く取って抵抗値を確保する必要があった。
【０００６】
その結果、従来のハニカム担体においては、ハニカム担体自身の熱容量が増大するので、通電時の昇温速度が極めて遅くなって、大電流を投入しなければエンジン始動後の早期に高い浄化性能が得られないという問題があった。
【０００７】
また、エンジンの振動に対して十分な強度を得るためには、波板と平板との接触部分が機械的に接合されていることが望ましいが、電気的絶縁を保ちながら波板と平板とを接合することは非常に困難である。特に、中心電極から外側面に向かって電流を流す場合、波板と平板を溶接によって接合すると、溶接部分によってハニカム担体の内層と外層が短絡されるために所定の抵抗値を得ることができない。したがって、ハニカム担体を単純に溶接することはできず、十分な強度を有しながら電気的絶縁を保つことは非常に困難であった。
【０００８】
また、従来の触媒コンバータでは、ハニカム担体に通電して昇温させる際に、発生した熱が波板および平板を構成する金属箔内の熱伝導により、ハニカム担体内で素早く全体に拡がってしまうので、ハニカム担体全体を活性化温度まで昇温させるには、非常に長い時間を要するという問題があった。特に、熱伝導率の大きい金属製メタル担体を用いる自己発熱型触媒コンバータでは、大電力を供給しなければ十分な浄化性能を得ることができないという大きな問題があった。
【０００９】
以上述べたように自己発熱型ハニカム担体において抵抗値の確保と熱容量の低減、および省電力と高浄化率を両立させることは非常に困難であった。
【００１０】
また、自己発熱型ハニカム担体には、９００℃を越える高温の排気ガスと、エンジン本体を加振源とする強い振動が負荷されるため、極めて高い機械的耐久性が要求される。従来のハニカム担体は板厚５０μｍ程度の薄いステンレス鋼の箔で構成されているのに対して、これを保持する外筒は板厚１ｍｍを越える厚いステンレス鋼板によって構成されており、ハニカム担体が高温に晒された場合に外筒との温度差に起因して発生する熱応力によってハニカム担体が破損するという問題があったが、未だに有効な解決策がとられた例がない。
自己発熱型ハニカム担体の電極部分は、機械的耐久性は勿論、泥や水を被った場合にも腐食しないような耐腐食性が要求される。しかしながら、上述の従来技術においては、自己発熱型ハニカム担体の電極部分の構造に関する記載が全く無い上に、現在までに実用化された例もなく、実験的には試作されたことがあるとしても、振動に対する耐久性や、通電不良に代表される耐腐食性に関する信頼性等については多くの問題点を残している。
【００１１】
本発明は、従来技術における上述のような問題点に鑑み、ハニカム担体の高抵抗化と低熱容量化を両立させると共に、ハニカム担体内での熱伝導を低減させることにより、触媒物質を少量の電力によって短時間内に活性化温度まで昇温させることができるような、しかも十分な耐久性と高い信頼性を有する自己発熱型触媒コンバータを得ることを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明は、エンジンの排気経路中に配置される自己発熱型金属製触媒コンバータにおいて、触媒物質を担持しているハニカム担体が金属製の平板と波板とから構成されており、前記平板および／または波板の少なくとも一部には開口としてのスリット部が形成されていて、それらの平板と波板を交互に積層および／または巻回して形成されており、前記平板および／または波板のスリット部に対してハニカムの軸方向に電流を流すことを可能とする電流流入・流出部が設けられ、前記電流流入・流出部は外筒の取付穴を貫通して外部へ突出する棒状電極を有し、前記棒状電極は前記外筒に対して絶縁部材を介して電気的に絶縁固定されていると共に、前記外筒の外部に突出させた少なくとも電流流入または流出部の一方の棒状電極の外筒取付穴には、前記外筒と同材質であって、少なくとも前記外筒よりも内側に入る絶縁部材を覆う円筒形状の覆い部材が配設されており、前記棒状電極を貫通して、前記棒状電極と電気的に絶縁を保った状態で、前記外筒に対して圧入、あるいは溶接固定、あるいはそれらの両方の手段によって固定されていることを特徴とする。
【００１３】
【作用】
本発明によれば、ハニカム担体にスリット部を設けたことにより、従来のものに比較して高い電気抵抗を有する平板または波板を容易に得ることができる。
したがって、従来の如く、平板や波板に長い材料を必要としないため、熱容量の極めて小さいハニカム担体を実現することができ，僅かな電力によって短時間で触媒物質の活性化温度まで昇温させることができる。
【００１４】
また、ハニカム担体の平板または波板に設けたスリット部によって軸方向の熱伝導を極めて小さくすることができるので、昇温時の熱を触媒コンバータ内に保熱させて昇温速度を高めることができる。そのため、この保熱効果によっても投入電力を小さくすることができる。
さらに、電極取出部は、絶縁部材を介して確実に電気的絶縁を確保しつつ、ゴム部材あるいは耐熱性ステンレス鋼の箔材からなるガスケット部材により、確実にシールすることができる。
また、電極取出部は円環状部材を介してハニカム担体に接合されるため、担体の確実な固定を実現する。
さらに、前記円環状部材がスリット部から１ｍｍ以上離れた位置に、径方向への変形自在に組み付けられているので、ハニカム担体の急激な熱膨張・収縮による破損を効果的に防止することができる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明を実施することによって、容易にハニカム担体に所定の抵抗値を確保することができ、極めて熱容量が小さく、僅かな電力によって短時間内に触媒の活性化温度まで昇温させることができ、早期に高い浄化性能を得ることができる耐久性に優れたハニカム担体と、高い耐久性と、耐腐食性を有する電極構造を備えた自己発熱型触媒コンバータを提供することが可能となる。
【００１６】
【実施例】
以下添付の図面を参照して本発明の第１の実施例を詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施例としての自己発熱型触媒コンバータにおいて、触媒を担持させた自己発熱型ハニカム担体の一部を断面とした側面を示したものである。また、図２は図１のII−II断面図、図３は図１において矢印III −III の方向に見た正面図、図４は図２において矢印IV−IVの方向に見た部分的な側面図である。さらに、図５は第１実施例におけるハニカム担体に使用される金属箔からなる平板に形成されるスリット列の形状を詳細に示す展開図、図６は電気的な配線を含むハニカム担体の斜視図である。
【００１７】
これらの図に示すように、第１実施例のハニカム担体１においては、排気ガスの流入側となる上流端領域１ａと、排気ガスの流出側となる下流端領域１ｂを除いた軸方向の中間の部分に、多数の開口の集まりであるスリット列２が形成されており、下流端領域１ｂには電流流入部である棒状電極３が取り付けられると共に、上流端領域１ａには電流流出部である棒状電極４が取り付けられている。棒状電極３および４は、いずれも厚さ１ｍｍ以上の耐熱鋼から成る円環状部材５および６（以下、これらをリングと呼ぶ）に、それぞれ後述のような手段によって接続され、これらのリング５，６を介してハニカム担体１の上下流端領域１ａおよび１ｂと機械的および電気的に接合されている。
【００１８】
ハニカム担体１は、図５の展開図に示すように、帯状に長い金属箔からなる平板７と、同様な帯状に長い金属箔を図６に示すように波形に成形した波板８とを重ね合わせて渦巻き状に巻回させたものであるが、第１実施例の場合は、平板７の上流端領域７ａと下流端領域７ｂを除いた軸方向中間の領域に、図５や図６に示したスリット列２を構成する多数の開口部７ｃが形成されていると共に、それに対応して、図示しない波板８の中間の領域にも同様な態様のスリット列の開口部が形成されている。
【００１９】
また、この自己発熱型ハニカム担体１では、上流端領域１ａと下流端領域１ｂとの間に通電するために、図６に示すように下流端領域１ｂ側に電源９とスイッチ１０を接続し、上流端領域１ａ側をアースすることにより、スリット列２に対して軸方向に電流を流す構成となっている。すなわち、下流端領域１ｂには図１〜図４に示すような電流流入用の棒状電極３が接続されていると共に、上流端領域１ａには図２および図３に示すような電流流出用の棒状電極４が接続されており、これらの棒状電極３，４を通して電流がハニカム担体１に流入し、かつ流出するようになっている。
【００２０】
上述のように、第１実施例のハニカム担体１のスリット列２は、図５に示す平板７について言えば、幅ｆの上流端領域７ａと幅ｈの下流端領域７ｂとの間に形成される。このスリット列２は、渦巻方向に長さｂ、軸方向に長さｄを有する略長方形の形状をなす開口部７ｃが、間隔ｃの位置を渦巻方向に長さｂの半分の長さｂ／２の分だけ軸方向に互いにずらせて複数個形成すると共に、図示しない波板８にも、材料となる金属箔を波形に成形する前に、平板７の開口部７ｃと同様な開口部を予め形成することにより、平板７および波板８の双方が対応する領域において共にスリット列２を形成するようにしたものである。
【００２１】
なお、平板７および波板８の材質としては、Ｃｒが１８〜２４ｗｔ％，Ａｌが４．５〜５．５ｗｔ％，希土類金属（ＲＥＭ）が０．０１〜０．２ｗｔ％で残部がＦｅからなるＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ組成のものを使用し、その板厚は、ｔ＝０．０３〜０．０５ｍｍとする。
【００２２】
次に、第１の実施例としての自己発熱型コンバータの電流流入部の構造について詳細に説明する。
電流流入部１１は、図１に示すようにハニカム担体１に接合されるリング６に取り付けられるもので、リング６は一般的な耐熱ステンレス鋼、例えばＳＵＳ３０４、あるいはＳＵＳ４３０製で、その板厚は０．５〜２ｍｍである。リング６は担体１のスリット列２が形成されている範囲から軸方向に１ｍｍ以上離れた位置に配設され、担体１の下流端領域１ｂに対して例えばレーザ溶接、ろう付け、抵抗溶接等の方法で接合されるが、好ましくは下流端領域１ｂの全域ではなく一部の範囲内で接合されている構成が良い。詳細に説明しないが、スリット列２との距離、上流端領域１ａとの接合方法については、電流流出部１２も電流流入部１１と概ね同様である。
【００２３】
また、後で説明する図９にも示すように、リング５の上流側端面は、それを排気管へ組付ける時にガスケットを保持することを目的として部分的な突出部が設けられている。リング５は、上記突出部以外の部分で上流側フランジ１３と接合されている。
【００２４】
図７は、図１における電流流入部１１の部分を拡大して示したものである。
電流流入部１１の構成部品である棒状電極３は、耐熱ステンレス鋼ＳＵＳ３０４、あるいはＳＵＳ４３０等からなり、外筒１４の取付穴１４ａを貫通して外部へ突出すると共に、Ａｌ₂ Ｏ₃ を９２％含む部分的に半径が大きくなった一対の絶縁固定用セラミック碍子１５を支え、同時にリング６との接合部となる座１６を有する構造となっている。
【００２５】
また、外筒１４には電極取付穴１４ａには、外筒１４と同様に耐熱ステンレス鋼ＳＵＳ３０４、あるいはＳＵＳ４３０等からなり、円筒形状の絶縁固定用セラミック碍子１５を覆う覆い部材１７が配設されている。
この覆い部材１７には、棒状電極３を貫通して、それと電気的に絶縁を保った状態で、耐熱ステンレス鋼ＳＵＳ３０４、あるいはＳＵＳ４３０製の円盤状のプラグ１８が圧入されており、プラグ１８と覆い部材１７とを溶接接合することによって、棒状電極３が外筒１４対して確実に絶縁固定される。
【００２６】
一方、電流流入用の導線１９には、円筒形状の第１の耐熱ステンレス鋼製パイプ２０がかしめられており、このステンレス鋼製パイプ２０と棒状電極３とが溶接によって固定されている。
この場合、棒状電極３の先端を円筒形状のステンレス鋼製パイプ２０と同一の形状に加工しておけば、そのまま導線１９を棒状電極３にかしめ加工によって固定することが可能であり、ステンレス鋼製パイプ２０と棒状電極３とを固定するための溶接工程を省くことが出来ることは言うまでもない。
【００２７】
また、電流流入用の導線１９に取付られたステンレス鋼製パイプ２０は、外筒１４から近い部分を絶縁用セラミック繊維２１によって被覆し、外筒から遠い部分を防水性の耐熱シリコンゴム２２によって被覆した後、その上に第３の耐熱ステンレス鋼製パイプ２３を被せてかしめ加工によって圧着する。ステンレス鋼製パイプ２３の下端部には電極覆い部材１７が溶接により固定される。溶接箇所を符号２４によって示す。なお、本実施例では、防水性を高めるためにシリコンゴム２２を被覆したが、絶縁用セラミック繊維２１のみでも、ある程度の耐久性が得られることは言うまでもない。
【００２８】
この場合、耐熱シリコンゴム２２は、溶接箇所２４から十分な距離が確保された場所に取付られているため、第３の耐熱ステンレス鋼製パイプ２３の溶接時の熱によって溶損することはなく、電流流入用の導線１９は、信頼性の高い状態で第３の耐熱ステンレス鋼製パイプ２３や電極覆い部材１７、および外筒１４と絶縁固定され得る。さらに、耐熱性シリコンゴム２２は、ハニカム担体１の最外周より約３０ｍｍの位置に取付られているので、この自己発熱型触媒コンバータの使用時においても２００℃を越える高温になることはなく、実際に使用された時においても溶損の心配はない。
【００２９】
また、図１の断面II−II部を示す図２に見られるように、この自己発熱型触媒コンバータにおいては、耐熱ステンレス鋼ＳＵＳ３０４、あるいはＳＵＳ４３０製で、貫通穴を有しないものの円盤状のプラグ１８と略同一の形状に加工された円盤状のプラグ２５により、電極覆い部材１７を完全に密閉することにより、電流流入用導線１９を取付けないダミ−電極２６を、円周上に１２０度間隔で２個形成している。
【００３０】
このダミ−電極２６は、電極覆い部材１７と、部分的に半径が大きく一対の絶縁固定用セラミック碍子１５を支えるための座１６を有する電流流入棒３’と、円盤状のプラグ２５とによって構成されている。また、電流流入棒３’と円盤状のプラグ２５は、電気的絶縁を保つように隙間を設けて取付けられている。
このように、この自己発熱型触媒コンバータのハニカム担体１は、図２に示すように、円周方向に３点で外筒１４に対して絶縁固定されている。
【００３１】
同様に、第１の実施例における自己発熱型コンバータのハニカム担体１における電流流出部１２の構造について詳細に説明する。
図８は、図２の電流流出部１２の拡大図を示したものである。
電流流出部１２は、電流流出用の導線２７をかしめ加工によって圧着した円筒形状の第２の耐熱ステンレス鋼製パイプ２８の先端を平板状に押圧加工して、この平板状部分２８ａと外筒１４とを直接に溶接固定した構造となっている。
【００３２】
第２のステンレス鋼製パイプ２８と電流流出用の導線２７との継目は、防水性の耐熱シリコンゴム２９で被覆した後、その上に第４のステンレス鋼製パイプ３０を被せて、かしめ加工により圧着することにより防水構造を構成している。前述の電流流入部１１がハニカム担体１からの熱伝導を考慮する必要があったのに対し、電流流出部１２は外筒１４からの熱伝導を考慮すれば十分であるため、この電流流出部１２におけるシリコンゴム２９の取付位置は、電流流入部１１よりも約１０ｍｍ程度短くてよい。すなわち、シリコンゴム２９は、外筒１４から約２０ｍｍの位置に取付けられることによって、実際に使用された時の溶損を防止することができる。
【００３３】
しかしながら、上述の構造とは別に、最も簡単に、電流流出部を構成する場合にば、アース側である電流流出部の導線２７は、排気管のフランジ等に直接に溶接するか、あるいは電流流出部の導線２７に図示しないターミナルを圧着した後にネジ締めによって固定してもよい。
【００３４】
ここで、コスト的に許容されるならば、自己発熱型触媒コンバータに通電した時に発生する恐れがあるノイズを考慮して、電流流出部も電流流入部１１と同様な構造とし、ハニカム担体１を完全に排気管からフローティング状態で固定することが最も優れた方法であることは言うまでもない。
【００３５】
次に、第１実施例の自己発熱型触媒コンバータの製造方法を図９から図１３を用いて説明する。まず、図９に示す第１工程であるハニカムの成形方法を図１０と図１１によって詳細に説明する。
【００３６】
予め材料である平坦な帯状の金属箔７’または８’に加工されるスリット列２の開口部７ｃまたは８ｃは、図１１に示すように、円盤状のトムソン刃３１を軸方向に、必要なスリット状の開口の数だけ重ねあわせた上下のローラ３２および３３により形成される。スリット列２が加工された平板状の金属箔を、図１０に示すように、製造したいハニカム体１の左右両方向から導き、その一方の金属箔７’を、噛み合っている一対の歯車のような形状の波板成形用ローラ３４および３５の間を通すことによって波板加工し、この波板８と平板７のスリット列２が相対向するように、所定寸法まで巻回してハニカム体１を形成する。
【００３７】
第１実施例おけるハニカム担体１は、直径６６mm，長さ６７ｍｍの寸法を有する。また、平板７および波板８は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ−ＲＥＭ製で，板厚０．０５mmの材料を使用しており、スリット２は、図５に示す各部分の寸法が、ｂ＝３０mm，ｃ＝５mm，ｄ＝０．３５mm，ｅ＝０．３５mm，ｆ＝１１mm，ｇ＝２６．２５mm，ｈ＝２９．７５mmとしている。また、波板６は、波の高さ１．４５mm，波のピッチ４．７５mmとしている。平板７と波板８は、図１０に示すように、波板８の山部と谷部を、それぞれ上下２方向からＹＡＧレーザ溶接機３６および３７によってレーザビーム溶接しながら巻回する。３８は溶接箇所検出用のレーザ変位計であり、４０および４１は光ファイバケーブルであって、ＹＡＧレーザ溶接機３６，３７から照射されるレーザビームを分岐するためのものである。
【００３８】
図９に示す第２工程は、第１工程において製造したハニカム担体１に電極流入用棒状電極３および３’を溶接するために使用する電極リング５および６の加工工程である。この拡大図を図１２および図１３に示す。図１２はハニカム担体１を組み付ける前の電極リングの形状を示しており、図１３は組み付け後の状態を示している。第３工程は電極リング５および６にハニカム担体１を取り付けるためのレーザ溶接工程である。
【００３９】
この場合、このハニカム担体１の最外周は、波板８を２枚重ねにした状態となっている。これは、電極リング５および６とハニカム担体１をレーザ溶接する際に、ハニカム担体１の金属箔と電極リング５および６との熱容量の差によって発生する金属箔の溶損および溶接割れを防止するための構造である。
【００４０】
また、この段階では、電極リング５および６は、ステンレス鋼の板材から、電極リング５および６が連結部４２によって繋がった形に打ち抜き加工され、リングの部分が円筒状に成形された後にハニカム担体１に組付けられる。ここで、電極リング５および６の周方向の合わせ目には、それぞれ微小な幅の隙間６７が開形成されており、円周は閉じていない。またその隙間は溶接によって閉じられることもない。電極リング５と６を接続している連結部４２は、それに続く担持工程を考慮して、ハニカム１に接触しないようにリング５および６よりも外径側に張り出した形状となっている。また、連結部４２を省略し、リング５，６を別々に組み付ける構成とすることも可能であることは言うまでもない。
【００４１】
次に、ハニカム１の構造物をγ−Ａｌ₂ Ｏ₃ を含有したスラリー中に含浸した後に焼成するウォッシュコート工程を行い、その後、触媒金属、例えばＰｔ，Ｐｈを溶解した水溶液中に含浸して、再度、焼成する。
その結果、ハニカム担体１にγ−Ａｌ₂ Ｏ₃ と触媒物質とが付着し、触媒機能が付加され、触媒コンバータを得ることができる。以上の担持工程完了後、連結部４２は切りとられる。
【００４２】
第５工程および第６工程はハニカム担体１を被覆する断熱材の切出工程とその組付工程である。
断熱材は短繊維セラミック材料４３を長繊維セラミック材料４４によって被覆し、排ガス流による短繊維セラミック材料４３の飛散を防止している。
【００４３】
第７工程および第８工程は、３つの部分に分割された外筒１４の加工工程と、その組付工程である。前述のように外筒１４には電流流入部１１の覆い部材１７が貫通する取付穴１４ａが加工されており、この取付穴１４ａに電流流入部１１をはめ込むことにより外筒１４を位置決めし、溶接によってハニカム担体１を固定する。
【００４４】
第９工程および第１０工程は上流側フランジ１３および下流側フランジ４６の加工工程とその組付工程である。第１０工程において、上流側フランジ１３はリング５と外筒１４に溶接されるが、リング５とは部分的に接合され、熱伝導によるハニカムからの放熱を抑制する構成とすることが望ましい。
第１０工程では、さらに電流流出部１２の組付けを行い、電流流入用導線１９と電流流出用導線２７を取り付けてシール処理を行いう。
以上の工程を行うことにより、本発明の自己発熱型触媒コンバータを製造することができる。
【００４５】
第１実施例においては、図５に示したような開口部７ｃからなるスリット列２を設けた場合に、スリット列２によって残された箔部分（ｂ−ｃ）／２×ｄの一本が約１Ω程度の抵抗値を有することになり、全体としては０．１４Ω程度の高抵抗体を成立させることができる。
以上の構成の自己発熱型ハニカム担体１にエンジン始動後、直ちに１０〜１２Ｖで約７０〜８５Ａの電流が流れる。
【００４６】
図１４は、実施例の自己発熱型触媒コンバータ４７をエンジン４８の排気通路４９の途中に設けたエンジンの排気系統の全体構成を示したものである。図中、５０は自己発熱型触媒コンバータ４７の下流側に接続して設けられた熱容量の小さいサブ触媒を示しており、５１はサブ触媒５０のさらに下流側に接続された熱容量の大きいメイン触媒を示している。５２は二次空気の取り入れ口を示す。エンジン４８と実施例の自己発熱型触媒コンバータ４７との間隔は０．３乃至１．５ｍ程度とする。５３はエンジンの運転制御を行う電子式制御装置であって、これには各種のセンサによって検出されるエンジン回転数や水温、バッテリ電圧等の信号が入力され、リレー５４等に制御信号が出力される。従って、電子式制御装置５３の指令によって、リレー５４が棒状電極３および４の間のハニカム担体１へ流すバッテリ５５からの電流を断続制御することになる。なお、図１４における５７は発電機を示す。
【００４７】
図１５は、図１４において、実施例の自己発熱型触媒コンバータ４７を直列４気筒２０００ｃｃのエンジン４８の排気マニホルド５６から０．３ｍの位置に取付け、そのエンジン４８を搭載した自動車をＬＡ＃４パターンによって走行させた場合の昇温特性を示した線図であって、図１６はその時のガス濃度を示した線図である。
【００４８】
図１５から明らかなように、実施例の自己発熱型触媒コンバータ４７の内部に収容されている前述のようなハニカム担体１の内部温度は、約１０ｓｅｃの時点で早くも４００℃に達し、約２０ｓｅｃの時点では（２０ｓｅｃまではエンジン４８はアイドリング状態）自己発熱型ハニカム担体１は６００℃に加熱され、それによって触媒物質が活性化し、走行開始と同時に多量に排出される排気ガスを浄化することができる。その結果、図１６に示すように、極めて高い浄化性能早期からが得られる。
【００４９】
このように第１実施例の自己発熱型ハニカム担体１では、平板７および波板８にスリット列２を設けることによって、上流端領域１ａと下流端領域１ｂとの間容易に高抵抗体を構成することができるので、従来のように抵抗値を得るために金属箔を長く取る必要がなく、低熱容量の極めてものを実現することができる。従って、このハニカム担体１に電流を流すことによって、僅かな電力で短時間に十分な温度まで昇温させることができ、触媒物質を迅速に活性化させることが可能になる。
【００５０】
さらに、平板７および波板８に形成されたスリット列２が自己発熱型ハニカム担体１の軸方向に、スリット間隔の位置を軸方向に交互に長さの半分だけずらしているため、金属箔上を熱が伝わるときに大きく迂回することになるので、従来のスリット列を持たない自己発熱型ハニカム担体と比較して、熱伝導が極めて小さくなっている。
【００５１】
例えば、図５に示し先に具体的に示したスリット寸法のものでは、その比は約６×１０^-4倍となり、通電昇温時の熱は、自己発熱型ハニカム担体１内に保熱されやすくなる。従って、昇温開始後、触媒物質の活性化温度に到達する箇所がハニカム担体１内に早期に発生し、この部分において早くから行われる触媒による排気ガスの浄化作用の触媒反応熱を受けて、他の部分が加熱されて二次的に活性化されるため、投入電力が少なくてもサブ触媒５０やメイン触媒５１の全体が早期に活性化して高い浄化率が得られる。
【００５２】
さらに、実施例の自己発熱型ハニカム担体においては、波板８と平板７の触媒担持部分がレーザ溶接されているため、熱負荷やエンジン振動に対して極めて強く、優れた耐久性を有している。また、通電開始時に、スリット列２が他の部分にさきがけて昇温し、これに伴って、スリット列２の境界部には温度差による急激な熱膨張差が発生するが、電極リング５および６がスリット列２から軸方向に１ｍｍ以上距離をおいて取り付けられているため熱応力が緩和され、耐熱負荷性にもすぐれた構成となっている。
【００５３】
図１５および図１６に特性を示した第１実施例の自己発熱型触媒コンバータ４７は、排気ガスの熱を受けて早期に昇温することができるように、ハニカム担体１を排気マニホルド５６に近接して取付けた例であるが、このような場所は自動車の走行中の高温の排気ガスや、エンジンの振動に直接にさらされる非常に厳しい環境下であるともいえる。しかしながら、この自己発熱型ハニカム担体１の電流流入部１１は、外筒１４等と完全に絶縁を保った状態で溶接によって固定されており、また、電流流入部１１および電流流出部１２ともシリコンゴム２２，２９により防水対策が施されているため、熱負荷やエンジンの振動に対しては極めて強く、耐久性や耐腐食性に問題を生じることはない。
【００５４】
なお、第１実施例においては、自己発熱型ハニカム担体１に触媒を担持させた自己発熱型触媒コンバータ４７を構成した。しかしながら、ハニカム担体において触媒を担持していない部分にスリット列２と同様なようなものを設けても、また、自己発熱型ハニカム担体自体１が小型であっても、触媒物質の活性化のために十分な発熱量を得ることができる。
【００５５】
図１７〜図１９に、自己発熱型触媒コンバータの電極部に特徴を有する本発明の第２の実施例を示す。図１７は第２実施例の自己発熱型触媒コンバータ５８の全体の構成を一部断面として示すもので、図１８は電流流入部５９の拡大図、図１９は構成部品の展開図である。
【００５６】
第２実施例において、耐熱ステンレス鋼ＳＵＳ３０４、あるいはＳＵＳ４３０製の電流流入部５９の構成部品である棒状電極６０は、第１の実施例の場合と同様に、外筒１４の電極取付穴１４ａを貫通して外筒１４の外部へ突出しているとともに、絶縁固定用のセラミック碍子６１を支えるために、図１９に示すように部分的に半径が大きくなった座６２を形成している。また、外筒１４には電極取付穴１４ａに、外筒１４と同材質であって、耐熱ステンレス鋼ＳＵＳ３０４、あるいはＳＵＳ４３０から製作された円筒形状の絶縁固定用セラミック碍子６１の覆い部材６３が配設されている。
【００５７】
さらに、棒状電極６０の先端にはネジ加工が施されており、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ−ＲＥＭ製で，板厚０．０５mmの材料よりなる排気ガスシール用のガスケット６４が５枚と、絶縁固定用のセラミック碍子６５、さらに排気ガスシール用のガスケット６４を５枚挟んで、耐熱ステンレス鋼ＳＵＳ３０４製のナット６６によってネジ締め固定され、その後、ナット６６と棒状電極６０が溶接固定された構造となっている。
【００５８】
また、電流の流入導線は、その端部に圧着固定されたターミナルを、棒状電極６０に形成されたネジに螺合する図示しない２個のナットによって螺着すると共に、溶接することによって棒状電極６０に接続する。さらに、図示しないがアース側である電流流出部は、ターミナルを圧着した電流流出部の導線を直接に排気管のフランジ等に固定する構造となっている。
【００５９】
以上のような第２実施例の構成によれば、ハニカム担体１の内部と外部との間は完全にシールされ、第１の実施例の場合と同様な防水構造が実現する。
なお、第２実施例においては、棒状電極６０に絶縁固定用セラミック碍子６１を支えるための座６２を形成する構造としたが、これに代わって、ナットを用いてもよく、２つのナットによって、絶縁固定用セラミック碍子６１および６５を固定してもよい。
【００６０】
図２０〜図２２に、自己発熱型触媒コンバータの電極リングに特徴を有する本発明の第３の実施例を示す。図２０は第３実施例の電極リングのみの形状を示す斜視図であって、図２１は図２０の電極リングに前述の例におけるものと同様なハニカム担体１を組み付けた状態の斜視図である。
【００６１】
第３実施例において、電極リング５および６は、それぞれ３つの部分５ａ，５ｂ，５ｃと６ａ，６ｂ，６ｃに分割されており、各分割片５ａ，５ｂ，５ｃと６ａ，６ｂ，６ｃは、それぞれ対応するものに対して軸方向の連結部４２によって接続されている。そして、各分割片と連結部４２との結合体は、隣接する分割片５ａ，５ｂ，５ｃ或いは６ａ，６ｂ，６ｃの間に円周方向の微小な隙間６７を残してハニカム担体１の外側に接合される（図２１参照）。その後、第１実施例の場合と同様に、触媒担持工程の完了後に３本の連結部４２が除去される。それ以降は、図９に示した第１実施例の場合と同じ工程を経て触媒コンバータとして完成する。なお、第３実施例では電極リング５および６をそれぞれ３つの分割片５ａ，５ｂ，５ｃと６ａ，６ｂ，６ｃに分割する例を示したが、分割の数はこれに限られる訳ではない。
【００６２】
図２２は第３実施例の変形例を示すもので、図２０と対比すれば明らかなように、電極リング５および６は、隙間６７に相当する部分やその他の部分において数個の深い切り込み６８を形成されているが、それでも分割されることなく相互に繋がって円環状をなしている。隙間６７が形成されていることによって、電極リング５および６は外径を拡張する方向への変形が可能になり、隙間６７を設けた第１実施例や第３実施例の場合と同様な効果を奏することができる。触媒担持工程以降の製造工程は図９に示した第１実施例の場合と同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の自己発熱型触媒コンバータの一部を断面とした側面図である。
【図２】図１におけるII−II断面図である。
【図３】図１において矢印III の方向に見た正面図である。
【図４】図２において矢印IVの方向に見た部分的な側面図である。
【図５】第１実施例におけるハニカム担体に使用される平板に形成されたスリット列の形状を詳細に示す展開図である。
【図６】第１実施例におけるハニカム担体の斜視図である。
【図７】第１実施例における電流流入部の拡大断面図である。
【図８】第１実施例における電流流出部の拡大断面図である。
【図９】第１実施例の自己発熱型触媒コンバータの製造工程を示す工程図である。
【図１０】第１実施例におけるハニカム担体の製造装置を示す斜視図である。
【図１１】第１実施例における金属箔にスリット列を加工する装置の斜視図である。
【図１２】ハニカム担体を組み付ける前の電極リングの形状を示す斜視図である。
【図１３】電極リングとハニカム担体を組み付けた後の状態を示す斜視図である。
【図１４】エンジンの排気系統の全体構成を示す概念図である。
【図１５】第１実施例の自己発熱型ハニカム担体の昇温特性を例示する線図である。
【図１６】第１実施例の自己発熱型触媒コンバータを使用した場合のガス濃度を例示する線図である。
【図１７】第２実施例におけるハニカム、外周リング、および電極の接合状態を一部断面として示す側面図である。
【図１８】図１７の一部である電流流入部を拡大して示す断面図である。
【図１９】図１８に示す電流流入部の分解斜視図である。
【図２０】第３実施例の電極リングの形状を示す斜視図である。
【図２１】図２０の電極リングとハニカム担体を組み付けた状態を示す斜視図である。
【図２２】第３実施例の電極リングの変形例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…自己発熱型ハニカム担体
１ａ…上流端領域
１ｂ…下流端領域
２…スリット列
３，４…棒状電極
５，６…電極リング
７…平板
７ａ…上流端領域
７ｂ…下流端領域
７ｃ…開口部
８…波板
１１…電流流入部
１４…外筒
１５…絶縁固定用セラミック碍子
１６…座
１７…電極覆い部材
１８…プラグ
１９…導線（電流流入用）
２０…第１の耐熱ステンレス鋼製パイプ
２１…絶縁用セラミック繊維
２２…防水性の耐熱シリコンゴム
２３…第３の耐熱ステンレス鋼製パイプ
２４…溶接箇所
２５…円盤状のプラグ
２６…ダミ−電極
２７…導線（電流流出用）
２８…第２の耐熱ステンレス鋼製パイプ
２９…防水性の耐熱シリコンゴム
３０…第４のステンレス鋼製パイプ
３１…トムソン刃
３６，３７…ＹＡＧレーザ溶接機
４３…短繊維セラミック材料
４４…長繊維セラミック材料
４７…自己発熱型触媒コンバータ（第１実施例）
４８…エンジン
５０…サブ触媒
５１…メイン触媒
５３…電子式制御装置
５８…自己発熱型触媒コンバータ（第２実施例）
５９…電流流入部
６０…棒状電極
６１…セラミック碍子
６２…座
６３…電極覆い部材
６４…ガスケット
６５…セラミック碍子
６６…ナット
６７…隙間
６８…切り込み

Claims (23)

1. エンジンの排気経路中に配置される自己発熱型金属製触媒コンバータにおいて、触媒物質を担持しているハニカム担体が金属製の平板と波板とから構成されており、前記平板および／または波板の少なくとも一部には開口としてのスリット部が形成されていて、それらの平板と波板を交互に積層および／または巻回して形成されており、前記平板および／または波板のスリット部に対してハニカムの軸方向に電流を流すことを可能とする電流流入・流出部が設けられ、前記電流流入・流出部は外筒の取付穴を貫通して外部へ突出する棒状電極を有し、前記棒状電極は前記外筒に対して絶縁部材を介して電気的に絶縁固定されていると共に、前記外筒の外部に突出させた少なくとも電流流入または流出部の一方の棒状電極の外筒取付穴には、前記外筒と同材質であって、少なくとも前記外筒よりも内側に入る絶縁部材を覆う円筒形状の覆い部材が配設されており、前記棒状電極を貫通して、前記棒状電極と電気的に絶縁を保った状態で、前記外筒に対して圧入、あるいは溶接固定、あるいはそれらの両方の手段によって固定されていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
2. 請求項１記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、前記棒状電極は、前記外筒に対して前記絶縁部材とガスケット部材を介して電気的に絶縁固定されていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
3. エンジンの排気経路中に配置される自己発熱型金属製触媒コンバータにおいて、触媒物質を担持しているハニカム担体が金属製の平板と波板とから構成されており、前記平板および／または波板の少なくとも一部には開口としてのスリット部が形成されていて、それらの平板と波板を交互に積層および／または巻回して形成されており、前記平板および／または波板のスリット部に対してハニカムの軸方向に電流を流すことを可能とする電流流入・流出部が設けられ、前記電流流入・流出部は外筒の取付穴を貫通して外部へ突出する棒状電極を有し、前記棒状電極は前記外筒に対して絶縁部材を介して電気的に絶縁固定されていると共に、前記棒状電極が前記外筒に対して前記絶縁部材とガスケット部材を介して電気的に絶縁固定されている自己発熱型触媒コンバータにおいて、前記ガスケット部材は数枚の耐熱製ステンレス鋼板であって、板厚０．０３ｍｍから０．２ｍｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ製のステンレス鋼の箔であることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、前記外筒の外部に突出させた電流流入および／または流出部である前記棒状電極にはネジ加工が施されており、前記棒状電極は絶縁部材を介して前記外筒に対して一対のナットによって螺着されることにより固定されていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
5. 請求項４記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、電流流入および／または流出部の前記棒状電極は、前記外筒に対して螺着された後に、少なくとも前記外筒よりも外側の前記ナットが前記棒状電極と溶接によって固定されていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、前記外筒の外部に突出させた電流流入および／または流出部である前記棒状電極は、前記外筒に対して内側方向に、前記外筒に固定される絶縁部材を支持するために、前記棒状電極よりも半径が大きい座となる部分を備えていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
7. 請求項１記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、電流流入および／または流出部に配設された前記絶縁部材の少なくとも１個以上の前記覆い部材に、前記棒状電極に対して電気的に絶縁を保った状態で、圧入、あるいは溶接固定、あるいはその両方の手段によって固定される円盤状のプラグを備えていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
8. 請求項１記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、前記電流流入部に配設された前記絶縁部材の少なくとも１個以上の前記覆い部材に、前記棒状電極を貫通する貫通穴を有し、前記棒状電極に対して電気的に絶縁を保った状態で、圧入、あるいは溶接固定、あるいはその両方の手段によって固定される円盤状のプラグを備えていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、電流流入および／または流出部の前記棒状電極は、円筒形状の第１のステンレス鋼製パイプおよび／または第２のステンレス鋼製パイプにかしめられた電流流入および／または流出用の導線と、ネジ締め、あるいは溶接固定、あるいはその両方の手段によって固定されていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
10. 請求項１から８のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、電流流入および／または流出部の前記棒状電極の少なくとも１つ以上の先端形状は、前記電流流入および／または流出用導線と、かしめ固定することができるように、円筒形状のくぼみを備えていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
11. 請求項１から８のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、電流流出部の前記棒状電極部は、先端が平板状態につぶされた円筒形状の第２のステンレス鋼製パイプにかしめられた電流流入用の導線と、前記外筒とを直接に溶接によって固定されていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
12. 請求項９から１１のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、第１および／または第２のステンレス鋼製パイプは、その外周を防水性の耐熱ゴムによって被覆した後、第１のステンレス鋼製パイプを被覆する第３のステンレス鋼製パイプ、および／または第２のステンレス鋼製パイプを被覆する第４のステンレス鋼製パイプによってかしめられ、前記第３、および／または第４のステンレス鋼製パイプは、前記外筒あるいは前記電極覆い部材と溶接、あるいは、ねじ固定、あるいはその両方によって固定されていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
13. 請求項９から１１のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、前記第１および／または第２のステンレス鋼製パイプは、その外周をセラミック繊維によって被覆した後、前記第１および／または第２のステンレス鋼製パイプを被覆する前記第３のステンレス鋼製パイプ、および／または前記第２のステンレス鋼製パイプを被覆する前記第４のステンレス鋼製パイプによってかしめられ、前記第３および／または第４のステンレス鋼製パイプは、前記外筒あるいは電極覆い部材と溶接、あるいは、ねじ固定、あるいはその両方によって固定されていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
14. 請求項９から１１のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、前記第１および／または第２のステンレス鋼製パイプは、その外周の前記外筒に近い部分をセラミック繊維によって被覆し、前記外筒から遠い部分を防水性の耐熱ゴム、好ましくはシリコンゴムによって被覆した後、前記第１のステンレス鋼製パイプを被覆する前記第３のステンレス鋼製パイプ、および／または前記第２のステンレス鋼製パイプを被覆する前記第４のステンレス鋼製パイプによってかしめられ、前記第３および／または第４のステンレス鋼製パイプは、前記外筒あるいは前記電極覆い部材と溶接、あるいは、ねじ固定、あるいはその両方によって固定されていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
15. 請求項１２あるいは１４のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、前記第１および／または第２のステンレス鋼製パイプに被覆される防水性の耐熱ゴムは、ハニカム担体から３０ｍｍ以上離れた位置に配設された後に、前記第１のステンレス鋼製パイプを被覆する前記第３のステンレス鋼製パイプ、および／または前記第２のステンレス鋼製パイプを被覆する前記第４のステンレス鋼製パイプによってかしめられ、前記第３および／または第４のステンレス鋼製パイプは、前記外筒あるいは前記電極覆い部材と溶接、あるいは、ねじ固定、あるいはその両方によって固定されていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
16. 請求項１２あるいは１４のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、前記第１および／または第２のステンレス鋼製パイプに被覆される防水性の前記耐熱ゴムは、前記外筒から２０ｍｍ以上離れた位置に配設されていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
17. 請求項１５または１６のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、電流流入および／または流出部が、前記ハニカム担体のスリットが形成された部分を挟む上流側と下流側の円筒面にそれぞれ設置された略円環状の部材に接合され、前記略円環状の部材を介してハニカム担体に接合されていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
18. 請求項１７に記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、前記略円環状の部材が、前記ハニカム担体のスリット形成部から上流側および下流側へそれぞれ１ｍｍ以上離れた位置に配設されていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
19. 請求項１８に記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、前記略円環状の部材が、円環径を広げる方向に変形可能な構造を有していることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
20. 請求項１９に記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、前記略円環状の部材が、それぞれ一枚のステンレス鋼板から形成され、円環状に閉じていないことによって、円環径を広げる方向に変形可能に構成されていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
21. 請求項１９に記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、前記略円環状の部材が、それぞれ少なくとも二枚のステンレス鋼板から形成され、円環状に閉じていないことによって、円環径を広げる方向に変形可能に構成されていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
22. 請求項１９に記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、前記略円環状の部材が、円筒面に少なくとも一箇所のたわみ部を有することによって、円環径を広げる方向に変形可能に構成されていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。
23. 請求項１９から２２のいずれかに記載の自己発熱型触媒コンバータにおいて、前記略円環状の部材が、ハニカムコンバータの上流側と下流側の少なくとも一方の開口端にガスケットを保持するための部分円管状の突出部を備えていることを特徴とする自己発熱型触媒コンバータ。

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